Comment un nouveau cristal thermoélectrique transforme la chaleur en électricité

Chaque jour, une immense quantité d'énergie est perdue dans le monde sous forme de chaleur. Qu'il s'agisse des usines, des centrales électriques ou encore des moteurs de véhicules, cette chaleur est généralement dissipée dans l'environnement sans être exploitée.

Pour tenter d'en récupérer une partie, des chercheurs japonais ont mis au point un nouveau cristal « sandwich » capable de convertir cette chaleur perdue en électricité. Ce matériau thermoélectrique reproduit le comportement d'un film atomiquement mince, tout en se présentant sous la forme d'un cristal solide, bien plus facile à fabriquer et à intégrer dans des applications réelles.

Comment ce cristal « sandwich » piège la chaleur pour produire de l'électricité

Concrètement, ce matériau « sandwich » génère de l'électricité à partir de la différence de température entre ses deux faces. Pour que cela fonctionne efficacement, il faut pouvoir conserver cet écart de température le plus longtemps possible, sans empêcher le passage du courant électrique.

Or, ces deux propriétés sont généralement difficiles à concilier dans un même matériau, car les matériaux qui conduisent bien l'électricité sont souvent aussi de très bons conducteurs de chaleur. Celle-ci se diffuse alors rapidement entre les deux faces, ce qui réduit l'écart de température et limite la production d'électricité.

Face à ce défi, les chercheurs ont conçu un cristal à base de thallium, de fer et de sélénium dont la structure interne ressemble à un sandwich. Ils y ont également introduit des lacunes, c'est-à-dire des atomes de fer volontairement absents.

Des résultats prometteurs, mais encore limités au laboratoire

Ces irrégularités perturbent les vibrations atomiques responsables du transport de la chaleur, ce qui limite fortement sa propagation sans empêcher le passage du courant électrique.

Lors des essais, les chercheurs ont observé une conductivité thermique particulièrement faible, d'environ 0,2 W/m·K à 180 °C. Le matériau se comporte donc presque comme un isolant thermique tout en conservant sa capacité à produire de l'électricité.

Cette technologie n'a été validée qu'en laboratoire pour le moment. Avant de pouvoir l'utiliser dans la production réelle d'électricité, les chercheurs doivent encore surmonter certains obstacles, notamment celui du rendement global de conversion.

Des obstacles à surmonter avant une application industrielle

Autrement dit, le matériau doit démontrer qu'il est capable de transformer une part suffisamment importante de la chaleur récupérée en électricité pour être réellement intéressant sur le plan industriel.

Enfin, la présence de thallium soulève aussi des défis en matière de sécurité, puisque ce métal est hautement toxique.

« Ces résultats ouvrent une voie prometteuse pour le développement de matériaux thermoélectriques de nouvelle génération », conclut le professeur Takayoshi Katase, responsable de l'étude.

Source : Journal of Materials Chemistry A